目录
交直流调速课程设计任务书 (2)
前言 (4)
关键词 (4)
交直流调速课程设计说明书 (5)
一、总体方案的确定 (5)
1.1 现行方案的讨论与比较 (5)
1.2 选择PWM控制系统的优越性 (6)
1.3采用转速电流双闭环的理由 (6)
1.4起动过程电流和转速波形 (9)
1.5 H桥双极式逆变器的工作原理 (9)
1.6 PWM调速系统静特性 (11)
二、双闭环直流调速系统的硬件结构 (12)
2.1主电路 (13)
2.2 电流调节器 (14)
2.3转速调节器 (14)
2.4控制电路设计 (15)
2.5、控制环节电源设计 (16)
2.6、限幅电路 (16)
2.7转速检测电路 (17)
2.8、电流检测电路 (17)
2.9、泵升电压限制 (18)
三、电机参数及设计要求 (19)
3.1电路基本信息如下： (19)
3.2计算反馈关键参数 (19)
四、课程设计心得体会 (23)
五、系统主要硬件结构图 (24)
参考文献： (25)
交直流调速课程设计任务书
一、题目：双闭环可逆直流PWM调速系统设计
二、设计目的
1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用
2、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。
3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。
三、系统方案的确定
自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→控制方案”（系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直至理论实现要求→硬件设计→制板、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自已选定。
1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;
2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*i m =U cm=10V
3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2 ＝1.5Nm2；
4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；
5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（p96）n N=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω，电流过载倍数λ=2；
6、PWM装置的放大系数K s=11；PWM装置的延迟时间T s=0.4ms。
四、设计任务
a)总体方案的确定；
b)主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；
c)系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；
d)控制电路设计、原理分析、主要元件/参数的选择；
e)调节器、PWM信号产生电路的设计
f)检测及反馈电路的设计与计算；
五、课程设计报告的要求：
1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理；
2、报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。
3、形式要求：以《福建农林大学本科生课程设计》（工科）的规范化要求撰写。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范。报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。
4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。
六、参考资料
1、电气传动控制系统设计指导李荣生主编机械工业出版社2004.6
2、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社
3、电力拖动自动控制系统，上海工业大学陈伯时，机械工业出版社
4、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社2000.1
前言
在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。目前国内各大院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。
关键词：直流调速；双闭环；PWM；直流电机
交直流调速课程设计说明书
一、总体方案的确定
1.1 现行方案的讨论与比较
直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U 。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从
电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的
系统来说，这种方法最好。
a I 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通 。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行
调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
f I 变化时间遇到的时间常数同a I 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻R 。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，
操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么
调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性
能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压
调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速
的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往
以调压调速为主速。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门
的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生
可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直
流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
1.2 选择PWM控制系统的优越性
脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。
PWM系统在很多方面具有较大的优越性：
1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。
2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。
4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。
6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器效率高。
1.3采用转速电流双闭环的理由
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。
单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。
在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流
保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。
以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。
直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理图如下所示：
图1-1直流PWM传动系统结构图
其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成。最关键的部件为脉宽调制器。
模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置，它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。去处放大器工作在开环状态，在电流调节器的输出控制信号Uс的控制下，产生一个等幅、宽度受Uс控制的方波脉冲序列，为PWM变频器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器按所加输入端调制信号不同，可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调
制器。目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生，如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。
如图1-2为双闭环直流调速系统原理图
图1-2 双闭环直流调速系统原理图
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如图1-3所示。
图1-3转速、电流双闭环直流调速系统结构
图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
双闭环直流调速系统的动态结构图如图1-4所示
图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图
图中）（s W ASR 和）（s W ACR 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图上必须把电流d I 标示出来。电机在启动过程中，转速调节器经历了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为三个阶段。
1.4起动过程电流和转速波形
启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
1.5 H 桥双极式逆变器的工作原理
脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。
I d
t I d I 图1-5实际波形 图1-6理想波形
U的极性随开关器H形双极式逆变器电路如图1-7所示。这时电动机M两端电压AB
件驱动电压的极性变化而变化。
图1-7 H形双极式逆变器电路
双极式逆变器的四个驱动电压波形如图1-8所示。
图1-8 H形双极式逆变器的驱动电压、输出电压和电流波形
他们的关系是：1423g g g g U U U U ==-=-。在一个开关周期内，当0on t t ≤<时，晶体
管1VT 、4VT 饱和导通而3VT 、2VT 截止，这时AB s U U =。当on t t T ≤<时，1VT 、4VT 截止，
但3VT 、2VT 不能立即导通，电枢电流d i 经2VD 、3VD 续流，这时AB s
U U =-。AB U 在一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图5所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，2on T
t >，则AB U 的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，
2on T
t =，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为
如果定义占空比on t T ρ=，电压系数
d s U U γ=则在双极式可逆变换器中21γρ=- 调速时，ρ的可调范围为0～1相应的1~1γ=-+。当12ρ>时，γ为正，电动机正转；当12ρ<时，γ为负，电动机反转；当12ρ=时，0γ=，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。
1.6 PWM 调速系统静特性
由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下：
d s d di U Ri L
E dt =++ (0)on t t ≤<.
d s d di U Ri L E dt =++ ()on t t T ≤<
按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是
d s U U γ=，平均电流用d I 表示，平均转速/
e n E C =，而电枢电感压降d
di L dt 的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式
0s
d d
e e e U R R n I n I C C C γ=-=-
图1-9 脉宽调速系统的机械特性（电流连续时）
二、双闭环直流调速系统的硬件结构
双闭环直流调速系统主电路中的 UPE 是直流 PWM 功率变换器。系统的特点：双闭环系统结构，实现脉冲触发、转速给定和检测。由软件实现转速、电流调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。
主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。
检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。
故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分
析比较，若发生故障立即通知微机进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。
2.1主电路
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图2-1所示。
这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。
H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1所示。设计要求使用三相交流380V 供电，必须经过变压成110V后方可使用，PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压Us。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻0R，合上电源后，用延时开关将0R 短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。
VT 为了限制泵升电压，可以用镇流电阻b R消耗掉部分动能，b R的分流电路靠开关器件b
在泵升电压达到允许数值时接通。
图2-1：桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图
2.2 电流调节器
图2-2 PI型电流调节器
由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。
此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数
s
T
oi
001
.0
=，
以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。
2.3转速调节器
转速反馈电路如图2-3所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因
此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数
s
T
on
005
.0
=。根据和电流环一样的原理，在
转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。
图2-3 PI型电转速调节器
2.4控制电路设计
在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
当转速调节器不饱和时，稳态时，它们的输入偏差电压都是0。而当转速饱和时，ASR输出达到限幅值，转速环呈开环转态，双闭环系统相当于一个电流无静差的单电流闭环调节系统。在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为0，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。对其启动过程的分析，由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退保和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。如下图所示：
图2-4
第一个阶段是电流上升阶段。
第二个阶段是恒流上升阶段，是起动过程中的主要阶段。
第三阶段是转速调节阶段。
对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载
扰动能够比较快的反应到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用被调量稍远，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
2.5、控制环节电源设计
在闭环调速系统中，各个控制环节属于弱电部分，需要提供稳定的低压直流电源。
此电路如图2-5所示，由稳压器件所组成，线路简单、性能稳定、工作可靠，用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压。
图2-5 给定基准电源电路
2.6、限幅电路
图2-6二极管钳位的外限幅电路图2-7稳压管钳位的外限幅电路
2.7转速检测电路
与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ，与给定电压*
n U 相比较后，得到转速偏差电压n U ?输送给转速调节器。测速发电机
的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图2-8所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。
图2-8转速检测电路
2.8、电流检测电路
本设计电流检测电路采用小电阻采样检测，电路原理如图2-9所示。
图2-9 电阻采样的电流检测电路
电路检测电路原理：通过串接在电动机主电路里的小电阻采样得到的电压i U ?,
经过放大器放大后再经过电阻Rpi 分压后得到一个大小合适的电流反馈信号Ui*,再接到电流调节器的反馈输入端，实现电流反馈调节。改变电路中Rpi 的分压阻
值，就可以改变电流调节器的反馈系数。
2.9、泵升电压限制
IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压Ugs、负偏压-Ugs和门极电阻Rg的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及dU/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压Ugs的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和dUgs/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由dUgs/dt电流引起的误触发等问题。
根据上述分析，对IGBT驱动电路应具备以下要求和条件：(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。(4)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。
本设计中IGBT驱动信号由集成的PWM模块产生。而PWM接口驱动能力及其与IGBT 的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本设计采用光耦合隔离器作为IGBT的驱动电路，电路原理如图2-10所示。
图2-10 光电隔离驱动电路
三、电机参数及设计要求
3.1电路基本信息如下：
1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT 构成H 型双极式控制可逆PWM 变换器;
2、速度调节器和电流调节器采用PI 调节器；U*nm=U*im =Ucm=10V
3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2 ＝1.5Nm2；
4、主电源：可以选择三相交流380V 供电，变压器二次相电压为52V ；
5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（p96）nN=1000r/min ，电枢回路总电阻R=2Ω，电流过载倍数λ=2；
6、PWM 装置的放大系数Ks=11；PWM 装置的延迟时间Ts=0.4ms 。
7、调节器输入电阻
Ω=k R 400; 8、Inom=6A, s T oi 002.0=, TS=0.0004s,
s T on 01.0=,5h =, Idbl=1.5Inom,Ra=1.64。
设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量
%5%≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量%40%≤n σ。
3.2计算反馈关键参数：
))min ((01.0100010n U N nm r V ===*α )(83.06210*A V I U nom im =?==λβ
KS=(CenN+IdblR)/Ucm=11.8
电流环的设计
1）确定时间常数：PWM 装置滞后时间常数：TS=0.0004s, 时间常数:s T oi 002.0=。s T T T 0024.0i o s i =+=∑(s T 和oi T 一般都比l T 小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。
2）选择电流调节器结构：根据设计要求：%5≤i σ，而且Tl=L/R=0.0051(s)，
10125.20024.00051.0<==∑i l T T
可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI 型的，其传递函数为
1()i ACR i i s W s K s ττ+= 式中 i K ——电流调节器的比例系数；
i τ——电流调节器的超前时间常数。
3）选择电流调节器的参数：ACR 超前时间常数s 0051.0l i ==T τ；电流环开环时间增益:要求5%i σ≤，故应取i 0.5I K T =∑，因此
)(1350037.05.05.01-∑===s T K i I
于是，ACR 的比例系数为:14.08.1183.020051.0135=???==s i I i K R K K βτ
4）校验近似条件：电流环截止频率:
1135-==s K I ci ω （1）晶闸管装置传递函数近似条件：
s T 31i c ≤
ω即ci s s T ω>=?=-11960017.03131
满足近似条件；
（2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： Tm=GD2R/375CeCm=0.084(s),,13
l m ci T T ≥ω 即
ci l m s T T ω>=?=-11450051.0084.01313不满足近似条件；
（3) 小时间常数近似处理条件：oi s ci T T 131≤
ω即
ci oi s s T T ω>=?=-1181002
.00017.0131131
满足近似条件。 （4）计算调节器电阻和电容：调节器输入电阻为
Ω=k R 400，各电阻和电容值计算
如下
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
《综合实验1》设计说明书 题目直流调速系统设计与调试 系部自动化系 专业自动化 班级自动化092班 学号 09423002 09423004 09423013 09423022 姓名裴玉柱刘勇薛尚刘鲲鹏 指导老师刘艳于美荣 日期2012年11月23日－2012年12月06日
直流调速系统设计与调试 (3) 1 技术要求： (3) 2 硬件系统设计 (4) 2.1 驱动电路： (4) 2.2 控制电路： (4) 3 直流调速系统参数和环节特性的测定： (5) 3.1 电枢回路总电阻R的测定 (5) 3.2 电枢回路电感L的测定 (6) 3.4 直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定 (7) 3.4 主电路电磁时间常数Td的测定 (8) 3.5 电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定 (8) 3.6 系统机电时间常数TM的测定 (8) 3.7 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定 (9) 4 直流调速系统设计 (9) 5 系统调试与分析 (10) 5.1双闭环系统的调试 (10) 5.2 系统的分析 (14) 7 参考文献： (14)
直流调速系统设计与调试 1 技术要求： （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 （4）器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗选择、晶闸管保护设计 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）.一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用pid适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能 现代工业自动化的高速发展也给直流电机的控制与调速提供了大范围的应用与更新:如远程信号传输,远距离调速,高温环境的遥控调速与控制,手动自动集成等。
1、写出直流电动机的转速表达式，说明它有哪3种调速方式？每种调速方式的优、缺点是什么？ 答：转速表达式ΦK R I U ΦK E n e d d e -== ； 有三种调速的方法，即调节电枢电压0d U ；减弱励磁磁通Φ；改变电枢回路电阻R 。 （1）调0d U 可平滑地调节转速n ，机械特性将上下平移。但电压只能向小于额定电压的方向变化。 （2）弱磁调速是在额定转速以上调速，其调速范围不可能太大。但所需功率小。 （3）改变电枢电阻调速简单，但是损耗较大，只能进行有级调速。 2、画出直流电动机理想启动时的转速、电流与时间的关系曲线。采用理想启动的目的是什么？如何实现？ ， （∞） (a) (b) i n I 图1-30 调速系统启动过程的电流和转速波形 理想启动是使启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以 直线规律上升，以缩短启动时间。 工程上常采用转速电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用。 3、分别画出单闭环转速负反馈调速系统和单闭环电压负反馈调速系统的静态结构图；标出静态结构图中各个环节的信号；再分别说明两种系统在电网电压降低后如何进行恒压调节？从而说明哪种系统对电网电压的扰动具有更强的抗扰能力？ 答：（1）单闭环转速负反馈调速 静态结构图和信号标注 图1-11 转速负反馈单环调速系统稳态结构图 恒压调节过程： ↑↑→↑→-=?↓→↓→↓→↓→↓→0* 0)(d ct n n n n d d U U U U U U n I U 电网电压（2）单
设计题目及分析 设计题目：转速电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统 直流电动机：UN=48V ，IN=3.7A ，nN=200r/min 允许过载倍数λ=2；电枢回路电磁时常L T =0.015s ，机电时常m T =0.2s ；PWM 环节的放大倍数：S K =4.8,；电枢回路总电阻：R=1Ω；电枢电阻Ra=0.5Ω。电流反馈系统β=1.33V/A ，转速反馈系数α=0.05V ·min/r ，电动势转速比Ce=0.18V ·min/r 。转速电流调节器输入输出限幅电压**nm im U U ==10V. 采用MATLAB 对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统仿真框图，仿真得出启动转速，起动电流，直流电压Ud ，ASR,ACR 输出电压的波形。并对结果进行分析。 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK 进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 一、双闭环直流调速系统的工作原理
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19)
前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。
一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电
A 1. V-M系统主电路的电机输入端电源是（ C ） A．不可控的直流电源Ｂ．不可控的交流电源 C．可控的直流电源Ｄ．可控的交流电源 2. 转速闭环直流调速系统与转速开环的直流调速系统相比，当要求的静差率不变时，其 调速范围将（ A） A．增大Ｂ．减小Ｃ．不变Ｄ．等于0 3. 转速、电流双闭环直流调速系统，保持电机以恒定的加速度起动的阶段是（ B ） A．电流上升阶段Ｂ．恒流升速阶段Ｃ．转速调节阶段Ｄ．稳态阶段 4. 采用H型桥式斩波电路的PWM直流调速系统，当电机停止时，主开关元件导通的 占空比（B） A．大于0.5 B.等于0.5 C．小于0.5 Ｄ．等于1 5. 闭环调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的 变化而相应地改变（D） A．电网电压Ｂ．电网电流 C．给定电压Ｄ．电枢电压 6.只适用于高速段的数字测速方法是（A ） A．M法Ｂ．T法 C． M法和T法Ｄ．M/T法 7.异步电动机的动态数学模型是一个（B） A．线性系统Ｂ．多变量系统Ｃ．2阶系统Ｄ．单输入单输出系统8.异步电机变频调速，（B） A．任何情况下变频一定变压 B．在大于额定转速区域，变频不变压 C. 在大于额定转速区域，变频也要变压 D. 在小于额定转速区域，变频不变压 8. 自动控制的直流调速系统主要的调速方法是（B）
A．减弱励磁磁通 B．改变电枢电压 C．改变电枢电流 D．改变电枢回路电阻9. 转速、电流双闭环直流调速系统，能够抑制负载扰动的是（A ） A．转速环 B．电流环 C．电流环和转速环D．电压环 10.异步电动机的动态数学模型是一个（B） A．线性系统Ｂ．多变量系统Ｃ．2阶系统Ｄ．单输入单输出系统1、画出V-M系统的主电路；画出V-M系统主电路的等效电路。 2、直流电动机双闭环调速系统实验中，电机的额定转速为1450转/分、电机允许的最大电流为50A。如何使电压反馈为负反馈且转速反馈系数为0.02。如何使系统工作时不过流。
电力拖动课程设计 题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统 姓名：强 学号：U201311856 班级：电气1303 指导老师：徐伟 课程评分：
日期：2016-07-10 目录 一、设计目标与技术参数 二、设计基本原理 （一）调速系统的总体设计 （二）桥式可逆PWM变换器的工作原理（三）双闭环调速系统的静特性分析（四）双闭环调速系统的稳态框图 （五）双闭环调速系统的硬件电路 （六）泵升电压限制 （七）主电路参数计算和元件选择 （八）调节器参数计算
三、仿真 （一）仿真原理（含建模及参数） （二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性） 四、结论 参考文献 附录1：调速系统总图 附录2：调速系统仿真图 一、设计目标与技术参数 直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下： 额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min； 电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s； 电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01 V*min/r； 允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；
电流超调量：σi≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R0=4KΩ； 晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。 PWM变换器的放大系数：K S=20。 二、设计基本原理 （一）调速系统的总体设计 在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。如图2-1所示。 图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形 用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 直流双闭环调速系统的结构图如图2-2所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。 直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区
《交直流调速系统》课程设计 一、性质和目的 自动化专业、电气工程及其自动化专业的专业课，在学完本课程理论部分之后，通过课程设计使学生巩固本课程所学的理论知识，提高学生的综合运用所学知识，获取工程设计技能的能力；综合计算及编写报告的能力。 二、设计内容 1.根据指导教师所下达的《课程设计任务书》课程设计。 2.主要内容包括： （１）根据任务书要求确定总体设计方案 （２）主电路设计：主电路结构设计（结构选择、器件选型、考虑器件的保护）、变压器的选型设计； （３）控制回路设计：控制方案的选择、控制器设计 （４）保护电路的选择和设计 （５）调速系统的设计原理图，调速性能分析、调速特点 3.编写详细的课程设计说明书一份。 三、设计内容与要求 1.熟练掌握主电路结构选择方法、主电路元器件的选型计算方法。 2.熟练掌握保护方式的配置及其整定计算。 3.掌握触发控制电路的设计选型方法。。 ４.掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。 ５.掌握绘制系统电路图绘制方法。 ６.掌握说明书的书写方法。 四、对设计成品的要求 1.图纸的要求： 1）图纸要符合国家电气工程制图标准； 2）图纸大小规格化（例如：1＃图，2＃图）； 3）布局合理、美观。 2.对设计说明书的要求 1）说明书中应包括如下内容
①目录 ②课题设计任务书； ③调速方案的论证分析（至少有两种方案，从经济性能和技术性能方面进行分析论证）和选择； ④所要完成的设计内容 ⑤变压器的接线方式确定和选型； ⑥主电路元器件的选型计算过程及结果； ⑦控制电路、保护电路的选型和设计； ⑧调速系统的总结线图 系统电路设计及结果。 2）说明书的书写要求 ①文字简明扼要，理论正确，程序功能完备，框图清楚明了。 ②字迹工整；书写整齐，使用统一规定的说明书用纸。 ③图和表格不能徒手绘制。 ④附参考资料说明。
目录 (2) (2) 内容 (2) 要求 (2) (3) (3) (3) (4) (4) (4) (5) (7) (8) (11) (12) (12) (14) 仿真波形结果 (18) 转速 (18) 电流 (19) (19) 五 (19)
一、课程设计要求 1.设计参数 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ， 额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V ,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=，过载倍数λ＝，电 流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* 2.设计内容 1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式 和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。 2） 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 3）驱动控制电路的选型设计。 4）动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确 定ASR 调节器与ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 5） 绘制V —M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并 研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。 3.设计要求： 1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（10D ≥），系统在工作范围内能稳定工作。 2）系统静特性良好，无静差（静差率2S ≤）。 3）动态性能指标：转速超调量8%n δ<，电流超调量5%i δ<， 动态最大转速降810%n ?≤~，调速系统的过渡过程时间（调节
一、总体设计概述 本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩 阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。 二、直流电机调速原理 根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式： 式中U——电压； Ra——励磁绕组本身的内阻； ——每极磁通（wb ）; Ce——电势常数； Ct——转矩常数。 由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电． 压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如 果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转 速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。 三、系统硬件设计
实训报告课程名称：专业实训 专业：自动化班级：103031学号：10303104姓名：徐红颖指导教师：王艳秋成绩： 完成日期：2014 年1月9 日
任务书
1 单闭环直流调速系统 对于单闭环直流调速系统来说，转速是输出量，一般我们引入的是转速负反馈构成闭环调速系统。转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG，引出和输出量转速成正比的负反馈电压Un，和转速给定电压Ua*进行比较，得到偏差电压ΔUa，经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压Uct，与控制电动机的转速，组成了反馈控制的闭环调速系统。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差，为了消除静差，可用积分调节器替代比例调节器。 反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变，就要引用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较，组成一个闭环系统。对于调速系统来说，如果想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变化，最有效和最直接的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。 1.1 主电路设计 直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成，知道了电路组成的两大部分后，就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。整流变压器由变压部分和整流部分组成，其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定40V的直流电压供给直流电动机的励磁回路，整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路，输出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。保护环节采用的是过电压保护的一种--阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。 主电路的设计需要准备的资料： 1 单相整流模块：MZKD-ZL-50 了解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压24V，额定电流6A，励磁电压24V，最大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式的接线方法。 3 电机转速测量的检测器：光电编码器（E6B2-C）
一．判断题（正确的打√，错误的打×，答案填在题号的前面） 1. （dui ）交 - 直 - 交电压型变频器采用电容滤波，输出交流电压波形是规则矩形波。 2. （错）变频调速效率高，调速范围大，但转速不能平滑调节，是有级调速。 3. （对）有静差调速系统是依靠偏差进行调节的，而无静差调速系统则是依靠偏差对作用时间的积累进行调节的 4. （错）电动机的机械特性愈硬，则静差度愈大，转速的相对稳定性就愈高。 5. （dui ）转速负反馈调速系统能够有效抑制一切被包围在负反馈环内的扰动作用。 6. （ dui）SPWM 即正弦脉宽调制波形，是指与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲列。 7. （cuo ）在一些交流供电的场合，可以采用斩波器来实现交流电动机的调压调速。 8. （错）转速负反馈单闭环无静差调速系统采用比例调节器。 9. （dui ） PWM 型变频器中的逆变器件采用高频、大功率的半控器件。 10. （对）矢量变换控制的实质是利用数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，一个是用来产生旋转磁动势的励磁电流分量，一个是用来产生电磁转矩的转矩分量。 二．填空题 1. 根据公式，交流异步电动机有三种调速方法： ① _调压 __ 调速、②__ 串电阻 __ 调速、③ ___变励磁磁通 _ 调速。
3. IGBT 全称为 __绝缘栅双极晶闸管__ ，GTO 全称为 _门极可关断晶体管__ ， GTR 全称为 _电力晶体管______________ 。 4. 异步电动机的变频调速装置，其功能是将电网的恒压恒频交流电变换成变压变频的交流电，对交流电动机供电，实现交流无级调速。 三、选择题 1、变频调速中的变频电源是（C ）之间的接口。 （A）市电电源（B）交流电机（C）市电电源与交流电机 （D）市电电源与交流电源 2、调速系统的调速范围和静差率这两个指标（ B ）。 （A）互不相关（B）相互制约（C）相互补充（D）相互平等 3、电压型逆变器的直流端（ D ）。 （A）串联大感器（B）串联大电容 （C）并联大感器（D）并联大电容 4、变频器主电路中逆变器的任务是把（ B ）。 （A）交流电变成直流电（B）直流电变成交流电 （C）交流电变成交流电（D）直流电变成直流电 5、在转速负反馈系统中，闭环系统的转速降减为开环转速降的（ D ）倍。 （A）1+K（B）1+2K（C）1/（1+2K）（D）1/（1+K） 6、无静差调速系统中，积分环节的作用使输出量（ D ）上升，直到输入信号消失。 （A）曲线（B）抛物线（C）双曲线（D）直线
目录 一、摘要.......................................................... - 3 - 二、课程设计任务 .................................................................................................... - 3 - 三、课程设计内容 .................................................................................................... - 3 - 1、PID控制原理及PID参数整定概述.................................................................... - 3 - 2、基于稳定边界法（临界比例法）的PID控制器参数整定算法 ............................ - 5 - 3、利用Simulink建立仿真模型............................................................................ - 8 - 4、参数整定过程 .................................................................................................- 12 - 5、调试分析过程及仿真结果描述.........................................................................- 16 - 四、总结 ...................................................................................................................- 17 - 五、参考文献 ...........................................................................................................- 17 -
设计任务书 一．题目： 4kw 以下直流电动机不可逆调速系统设计 二．基本参数： 三．设计性能要求： 调速范围D=10静差率s < 10%制动迅速平稳 四．设计任务： 五．参考资料： 1. 设计合适的控制方案。 2. 画出电路原理图，最好用计算机画图（号图纸） 3. 计算各主要元件的参数，并正确选择元器件。 4. 写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。 5. 列出元件明细表附在说明书的后面。 直流电动机：额定功率 Pn=1.1kW 额定电压 Un=110V 额定电流 In=13A 转速 Nn=1500r/min 电枢电阻 Ra=1Q 极数 2p=2 励磁电压 Uex=110V 电流 Iex=0.8A
电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都米用直流电动机。 而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛, 其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。 他通常采用三相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速, 传统的控制系统采用模拟元件，比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。 虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化 由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正
燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日
目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26)
前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要
课 题：双闭环直流调速系统 班 级：电气工程及其自动化1004 学 号：3100501091 姓 名：贾斌彬 指导老师：康梅、乔薇 日 期：2014年1月9日 电 力 传 动 课 程 设 计
目录 第1章系统方案设计 1.1 任务摘要 (3) 1.2 任务分析 (3) 1.3设计目的、意义 (3) 1.4 方案设计 (4) 第2章晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 2.1 电枢回路电阻R的测定 (5) 2.2主电路电磁时间常数的测定 (6) 2.3系统机电时间常数TM的测定 (7) 2.4测速电机特性UTG=f(n)的测定 (7) 2.5晶闸管触发及整流装置特性Ug=f（Ug）的测定 (7) 第3章双闭环调速系统调节器的设计 3.1 电流调节器的设计 (7) 3.2 转速调节器的设计 (9) 第4章系统特性测试 4.1系统突加给定 (11) 4.2系统突撤给定 (11) 4.2.2突加负载时 (11) 4.2.3突降负载时 (11) 第5章设计体会
第1章系统方案设计 1.1 设计一个双闭环晶闸管不可逆调速系统 设计要求：电流超调σi≤5% 转速超调σn≤10% 静态特性无静差 给定参数：电机 额定功率185W 额定转速1600r/min 额定励磁电流<0.16A 额定电流1.1A 额定电压220V 额定励磁电压220V 转速反馈系数ɑ=0.004 V·min/r 电流反馈系数β=6V/A 1.2 任务分析 采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR
目录 1 1引言 (1) 2设计任务及要求 (2) 2.1设计目的 (2) 2.2设计要求 (2) 3 本课程设计的意义 (2) 4使用软件介绍 (3) 4.1Proteus仿软真件的介绍 (3) 4.2 Keil软件 (3) 5电路使用元件的介绍 (4) 5.1关于AT89C51单片机的简介 (4) 5.2关于DS18B20温度传感器的简介 (4) 5.3关于L298电机驱动芯片的简介 (4) 5.4关于LM016液晶模块的简介 (5) 6部分硬件的工作原理 (5) 6.1直流电动机的工作原理 (5) 6.2转速的测量原理 (6) 6.3直流电动机的转速控制系统的工作原理 (6) 7直流电动机的转速控制系统软件设计 (7) 7.1编程思路 (7) 7.2系统流程图 (7) 8仿真程序（C语言） (10) 9结束语 (16) 1 1引言 在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有的90%以上的动力源自于电动机，电动机和人们的生活
息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。 近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方而的性能都远远优于模拟控制系统且使用越来越广泛。 现在市场上通用的电机控制器大多采用单片机和DSP。但是以前单片机的处理能力有限，对采用复杂的反馈控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满足设计要求。近年来出现了各种单片机，其性能得到了很大提高，价格却比DSP低很多。其相关的软件和开发工具越来越多，功能也越来越强，但价格却在不断降低。现在，越来越多的厂家开始采用单片机来提高产品性价比。 2设计任务及要求 2.1设计目的 设计一个基于温度的电动机转速控制电路，在相应的软件控制下可以完成要求的功能，即外部温度大于45C时，直流电动机在L298驱动下加速正转，温度大于75C全速正转，当外部温度小于10C时电动机加速反转，温度小于0C时电动机全速反转。温度回到10C-45C时电动机停止转动。在液晶显示屏1602LCD上显示当前的温度值。 2.2设计要求 一、设计一个基于温度的电动机转速控制电路，在相应的软件控制下可以完成要求的功能，即外部温度大于45C时，直流电动机在L298驱动下加速正转，温度大于75C全速正转，当外部温度小于10C时电动机加速反转，温度小于0C 时电动机全速反转。温度回到10C-45C时电动机停止转动。在液晶显示屏1602LCD 上显示当前的温度值。 二、画出基于温度的电动机转速控制电路的电路图； 三、所设计的电路需要在仿真软件Protues v7.5上能够运行，课程设计报告的最后必须附有在仿真软件Protues v7.5下设计的电路图和控制程序清单。 3 本课程设计的意义 直流电动机作为一种高效率速度控制电动机引人注目、但市场的知名度还小